城軌列車無線傳感器監測網絡節能設計*

王 鈺 賈蘇元 趙 喆 王宇瑤 張 璐

(大連交通大學電氣信息學院 大連 116028)

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城軌列車無線傳感器監測網絡節能設計*

王 鈺 賈蘇元 趙 喆 王宇瑤 張 璐

(大連交通大學電氣信息學院 大連 116028)

近幾十年城市人群的主要出行方式逐漸轉變為軌道交通,而確保列車處于高效而安全工作狀態則是重中之重。延長列車無線傳感器監測網絡生命周期并降低其能耗可以更好地保證列車安全問題。論文主要從單一節點、MAC協議、路由協議三個層次上對整個監測網絡進行節能設計,達到合理分配能耗進而最大程度延長監測網絡生命周期的目的。

無線監測網絡; 節點; MAC協議; 路由協議

Class Number TN925

1 引言

城軌列車無線監測網絡結構復雜,監測節點數量繁多,在如此龐大的網絡中頻繁對節點能量進行逐個補充是難以實現的,并且監測網絡節點不合理的工作狀態模式加大了能耗。因此對監測網絡各部分進行節能優化設計是目前最為可行的解決方案[1]。

2 能耗分析

在通常狀況下,傳感器節點的耗能主要集中在無線通信方面,數據傳輸的能耗大約占總體能耗的八成以上,這期間除去數據接收發送狀態下耗能外,空閑等待也白白耗費了大量能量,此外硬件設備的運行也會產生額外的能耗,如圖1所示。

圖1 監測節點各工作狀態下能耗情況

基于城軌列車無線傳感器網絡的這種長距離的線型網絡,其節點的下一條路徑選擇單一使能耗不均問題凸顯,這會導致某些節點過早凋零死亡,這也會影響列車監測網絡整體正常運行周期[2]。

3 傳感器監測網絡節能策略

3.1 單一節點方面節能設計

針對單一傳感器監測節點進行節能設計雖然降低能耗量有限,但從整個網絡來看節點總數多累積節約的能耗量大。針對硬件設計方面盡可能地選擇低功耗的芯片。針對軟件節能的策略,通過編寫合理的軟件工作流程,來實現對節點工作狀態的動態管理。具體軟件流程設計想法:網絡的開始由基站(匯聚節點)發起,網內所有節點開始處于偵聽狀態,等待基站的導頻信息,當收到基站導頻信息時,節點打開計時器,當傳感器監測節點計時器計時到達本機活動時間則喚醒節點,節點主控制模塊和無線收發模塊轉入正常工作狀態,節點通過無線收發模塊將采集到的傳感器狀態信息發送到基站;如果節點未到本機活動時間,開啟無線收發模塊空閑/關機模式,同時開啟設置主控制模塊睡眠/關機模式。基站將收到的信息處理融合后發送給網關節點或車載PC,如果監測節點活動時間結束,節點各模塊為降低能耗將進入休眠狀態,等待下一個活動周期的到來[3]。具體到單一節點接收到導頻命令幀時節點進入偵聽狀態計時器開始清零,如果接收到數據包,則繼續接受下一個節點數據,否則重新接收該節點數據。當所有節點數據包接收完畢系統即進入下一個周期。

3.2 改進PMAC協議節能策略

本文設計一種基于PMAC協議能依據流量變化來調整工作狀態周期的MAC協議[4]。正常情況下列車監測網絡是定時進行數據處理,在不工作的狀態下節點會自動進入休眠狀態。合理調整節點的工作狀態可以有效地避免無效能源的消耗。前導序列可以良好控制休眠狀態,但過長的前導序列會使傳輸無用數據量增加。因此協議的休眠/偵聽周期的設計需要根據流量進行制定[5]。序列信息的偵聽模式借用PMAC協議前導信息的思想,以二進制來表示,其中休眠狀態用0代表,運行狀態用1代表。例如Nx是節點x的二進制前導序列,前導信息與節點x運行時隙數量是密切相關的。假設節點x的一個運行周期包含T個時隙。例如01010,這表明節點在1、3、5時刻處于休眠狀態,2、4時刻處于運行狀態。因此當持續一段時間沒有數據傳輸的情況下,前導信息可以設計成:1,01,001,0001,041,051,…,0n-11,…,0δ1α。最長休眠周期臨界值δ,最短工作偵聽周期臨界值α,上式表示節點達到最長休眠周期后進入偵聽狀態,以保證監測網絡的時效可靠性,如此基于指數增長的休眠周期能夠大量的減少空閑偵聽,這種slow-start算法的休眠模式減少了無效能耗。在此還需要設定一個最長休眠周期,當時隙休眠時隙達到臨界值,節點會再次運行,此設計主要目的是保證整體監測網絡的時效性并達到節能的效果。當節點發送接收大量數據時,設定最長工作周期β,最短休眠周期γ。當節點持續工作時間達到設最長工作周期時,節點自動轉入最短的休眠周期,如此可以保證節點不會因為需大量傳輸數據而長期處于惡劣能源消耗,避免部分節點提前衰竭[6]。前導信息設計如下:1,01,011,0111,014,015,…,01-1,…,0γ1β。

綜上所述,在無數據傳輸下將節點設置為休眠狀態或在持續傳輸數據時將節點設置成間接休眠狀態都能很好地達到休眠狀態,從而提升監測網絡的生命周期。

3.3 基于鏈狀分簇路由算法優化節能策略

本文在LEACH和PEGASIS算法的基礎上設計了一種適合城軌領域的路由算法,達到減少和平均能耗的目的。

3.3.1 網絡的模型和算法的假設

因列車監測網絡系統形狀為帶狀,對網絡模型作出設計如下:網絡是由M個傳感器節點進行隨機分布,設計一個長大于寬的空間矩陣,節點隨機的分布在其間,網絡的數據傳輸呈周期變化。設Si表示第i個節點S={s1,s2,…,sM},M=|S|,S為節點集合。該網絡具有的特征為: 1) 匯聚節點的布置不在整個網絡中,匯聚節點與隨機分布的監測節點布置完畢后就不再變動; 2) 根據節點間的距離來適當調節監測節點的無限發射功率,這樣節點也可根據已知的發射功率大小來確定節點間的距離; 3) 每個節點的ID都有唯一的全網標識,所有監測節點都具有相同的初始能量及數據融合能力并能對各自的剩余能量進行感知; 4) 傳輸的數據量和傳輸節點間距離決定了傳輸能耗[7]。

3.3.2 算法具體描述

本算法運用“輪”的方式,通信階段分為簇建立階段和穩定數據傳輸階段。LP算法采用簇固定的分簇方式,在初始階段簇形成后,簇內成員不再改變。距離匯聚節點較遠的簇分配較少的成員節點而距離較近的簇分配較多的成員節點。因為簇首節點比普通節點能耗高,因此由節點剩余的能量決定該節點能否成為簇首節點。我們會在每個簇內預先設定一個閾值,如候選節點剩余能量高于閾值則這一輪擔任簇首,否則重新生成隨機數來選舉簇首節點[8]。當簇形成后我們選擇距離匯聚節點最近的節點作為鏈首節點,然后依次加入距自己最近的節點直至形成完整的鏈式拓撲結構。因簇的拓撲結構為鏈狀,所以在穩定傳輸階段時數據的傳輸都是從鏈尾節點向下一個距自己最近的節點傳輸直到傳到鏈首節點,然后所有的鏈首節點再將獲得的數據進行處理,按此方法形成新的簇,最后數據匯總到匯聚節點[9]。基于鏈式的分簇路由算法流程如圖2所示。

圖2 鏈式分簇路由協議算法流程圖

3.3.3 最優化簇頭數的確定

優化簇頭數量可以達到保證監測網絡穩定和節能的目的。我們將這個參數用字母p表示節點數量,假設部署M個傳感器節點在網絡中,網絡區間長寬均為H的,然后分割成N個簇,每個簇只有一個簇首節點。下文將通過對能量進行分析,計算出網絡的最優簇頭數[10]。參數變量定義為:

dT為簇成員節點到簇首節點間距;dS為匯聚節點到簇首節點的間距;Eelse為發射和接收單位信息消耗的能量;EDA為單位數據信息融合的能耗;εfs為簇首節點與簇成員節點通信時單位能耗參數;εmp為匯聚節點與簇首節點通信時單位能耗參數。

將數據接收、融合和發送到匯聚節點,構成了簇首節點在一輪通信中的總能耗ECH:

(1)

成員節點到簇首節點能耗:

(2)

簇內單位周期所需能耗為

(3)

一輪網絡中通信中N個簇總能耗為

EALL=NEcluster

(4)

(5)

網絡總面積為H2因而得出每個簇所占的面積S=H2/N,假設每個簇的簇首節點都分布在簇中央,因此就能得到簇內任一節點到簇首節點的距離:

(6)

由于E(ds4)只與簇首節點到匯聚節點的距離有關,與簇首的個數N沒有直接關系,設LS為匯聚節點到簇首節點的距離式(6)同時帶入式(5)得:

(7)

式(7)中通過EALL對N求導,并使導數為零,就能得出最優簇首個數Nopt值為

(8)

(9)

從式(9)中可以得出,匯聚節點到網絡區域中心距離LS及網絡最優簇首個數只由網絡區域的邊長H[11]決定。

3.3.4 算法性能分析

將LEACH算法中的一階信號模型引入到LP算法中。該模型共有兩部分進行能量消耗: 1) 傳感器節點處理器模塊中如模式化、數字編碼等的內部能耗:Eelse=50nj/b; 2) 傳感器節點無線通信模塊中接收和傳遞數據時的能耗,模型中信號放大器消耗能量:εmp=100pj/bit/m2。節點傳輸mbit數據量到l處的能耗:

ETX(m,l) =ETX-elec(m)+ETX-amp(m,l)

(10)

傳感器節點接收l比特數據的能耗為

ERX(m,l)=ERX-else(m)=mEelse

(11)

在本算法中,由于在發送mbit數據之前要進行數據的處理,所以消耗的能量為

EDA(m)=m*Edata

(12)

得出在穩定傳輸的階段,每個節點在傳輸mbit數據時消耗的總的能量為

ETX(m,l) =ETX-elec(m)+ETX-amp(m,l)+EDA(m)

(13)

3.3.5 城軌LP算法路由性能分析

假設共有N個節點,形成M(0

圖3 鏈上節點傳送數據

圖4 成簇后節點傳輸分組

4 仿真實驗分析

在同樣的仿真場景中,對LEACH、PEGASIS和LP算法從網絡生存期、網絡的總能耗、網絡的總延時和匯聚節點接收到的總數據量這四個方面進行了模擬仿真。

圖5所示中LP算法在節能方面雖然沒有PEGASIS算法的優勢大,但是與LEACH算法相比具有明顯的優勢。當存活的節點數一樣的時候,LP運行的輪數以遠遠的高于LEACH協議。

圖5 剩余的節點數與輪數的關系

圖6所示是不同的算法在網絡中的能耗隨著運行輪數的變化曲線。在這三種算法中,PEGASIS協議的網絡的總能耗一直是最低的,所以具有很大的優勢。

圖6 網絡能耗與輪數的關系

圖7所示是三種路由協議的網絡總時延與運行輪數的關系曲線。由曲線得知PEGASIS協議和LEACH協議網絡總時延分別為LP協議網絡總時延的3.4倍和4倍。

圖7 網絡總時延與輪數的關系

如圖8所示為三種算法隨著輪數的增加匯聚節點收到的數據總量,LP算法為14600bytes、PEGASIS算法為11900bytes、LEACH算法為5900Bytes。由此得出LP算法分簇策略更為均衡,能更好地延長整個網絡的生命周期。

從得出的仿真圖進行分析比較可以得出LP算法綜合以上四個方面具有較大的優勢,更適合城軌這種遠距離通信的環境[15]。

圖8 匯聚節點收到數據量與輪數的關系

5 結語

文中針對無線傳感器中節點能耗分布負載不均衡等問題,并結合城軌無線網絡的分布特點,在單一節點、PMAC協議和路由算法三方面進行優化,并通過仿真實驗驗證了有效均衡網絡能耗,延長網絡生命周期的實驗結果,由此可得出確實能使城軌無線網絡得到優化的效果。

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Design of Energy-saving Strategies for Urban Railway Wireless Sensor Monitoring Networks

WANG Yu JIA Suyuan ZHAO Zhe WANG Yuyao ZHANG Lu

(Institute of Electrical Information, Dalian Jiaotong Uniwersity, Dalian 116028)

In recent years rail transport has become the main way to travel, so it is extreme important that the safety, efficient and reliable operation of train which for the whole public traffic network and the development of the city should be guaranteed. Reducing energy consumption of sensor monitoring network and extending the train monitoring wireless sensor network life cycle is the core to guarantee the normal work of the train monitoring network. This paper is mainly from a single node, MAC protocol, routing protocol on the three aspects of the entire monitoring network for energy saving design to achieve purpose of a reasonable distribution of energy consumption and maximum extent of the monitoring network to extend the life cycle.

wireless monitoring network, node, MAC protocol, routing protocol

2016年7月10日,

2016年8月29日

王鈺,男,碩士研究生,研究方向:智能交通控制與安全技術。

TN925

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.041